(共26张PPT)
5.粒子的波动性和量子力学的建立
学习目标
1.知道光和实物粒子都具有波粒二象性。
2.了解物质波,知道说明实物粒子具有波动性的实验事实。
5.了解量子力学的建立及在微观世界中的应用。
思维导图
必备知识
自我检测
1.粒子的波动性
(1)德布罗意波
每一个运动的粒子都与一个对应的波相联系,这种与实物粒子相联系的波称为德布罗意波,也叫物质波。
(2)物质波的波长、频率关系式
必备知识
自我检测
2.物质波的实验验证
(1)实验探究思路
干涉、衍射是波特有的现象,如果实物粒子具有波动性,则在一定条件下,也应该发生干涉或衍射现象。
(2)实验验证
1927年戴维孙和汤姆孙分别利用晶体做了电子束衍射的实验,得到了电子的衍射图样,证实了电子的波动性。
(3)说明
①人们陆续证实了质子、中子以及原子、分子的波动性,对于这些粒子,德布罗意给出的
②宏观物体的质量比微观粒子的质量大得多,运动时的动量很大,对应的德布罗意波的波长很短,根本无法观察到它的波动性。
必备知识
自我检测
3.量子力学的建立和应用
电子、质子、中子等微观粒子不仅具有粒子性,同时还具有波动性,它们的运动规律在很多情况下不能用经典力学来说明,而量子力学能够很好地描述微观粒子的运动规律。
必备知识
自我检测
1.正误判断
(1)光的干涉、衍射、偏振现象说明光具有波动性。( )
(2)光具有粒子性,但光子又不同于宏观观念的粒子。( )
(3)一切宏观物体都伴随一种波,即物质波。( )
(4)湖面上的水波就是物质波。( )
(5)电子的衍射现象证实了实物粒子具有波动性。( )
(6)经典力学一般不适用于微观粒子。( )
答案(1)√ (2)√ (3)× (4)× (5)√ (6)√
必备知识
自我检测
2.经典力学规律适用于下列运动的是( )
A.子弹的飞行
B.飞船绕地球的运行
C.列车的运行
D.粒子接近光速的运动
解析经典力学的适用范围是宏观、低速情形,子弹的飞行、飞船绕地球的运行、列车的运动,经典力学可以适用,故A、B、C正确;对于微观、高速的情形经典力学不适用,只能用量子力学来研究,故D错误。
答案ABC
必备知识
自我检测
3.电子经电势差为U=200
V的电场加速,电子质量
m0=0.91×10-30
kg,求此电子的德布罗意波长。
答案8.63×10-2
nm
探究一
探究二
随堂检测
粒子的波动性
情境探究
根据测算,羽毛球离拍时的最大速度可达到288
km/h,羽毛球的质量为5.0
g,试求其德布罗意波长,我们能观察到羽毛球的波动性吗?
探究一
探究二
随堂检测
知识归纳
1.任何物体,小到电子、质子,大到行星、太阳都存在波动性,我们之所以观察不到宏观物体的波动性,是因为宏观物体对应的波长太小的缘故。
2.物质波波长的计算公式为
3.德布罗意假说是光子的波粒二象性的一种推广,使之包括了所有的物质粒子,即光子与实物粒子都具有粒子性,又都具有波动性,与光子对应的波是电磁波,与实物粒子对应的波是物质波。
闪光语录一般宏观物体物质波的波长很短,波动性很不明显,难以观察到其衍射现象,如只有利用金属晶格中的狭缝才能观察到电子的衍射图样。
探究一
探究二
随堂检测
实例引导
例1
下列关于德布罗意波的认识正确的是( )
A.任何一个物体都有一种波和它对应,这就是物质波
B.X光的衍射证实了物质波的假设是正确的
C.电子的衍射证实了物质波的假设是正确的
D.宏观物体运动时,看不到它的衍射或干涉现象,所以宏观物体不具有波动性
解析运动的物体才具有波动性,A项错;宏观物体由于动量太大,德布罗意波长太小,所以看不到它的干涉、衍射现象,但仍具有波动性,D项错;X光是波长极短的电磁波,是光子,它的衍射不能证实物质波的存在,B项错;只有C项正确。
答案C
探究一
探究二
随堂检测
规律方法
求解物质波波长的方法
(1)根据已知条件,写出宏观物体或微观粒子动量的表达式p=mv。
探究一
探究二
随堂检测
变式训练1一颗质量为5.0
kg的炮弹,
(1)以200
m/s的速度运动时,它的德布罗意波长为多大?
(2)假设它以光速运动,它的德布罗意波长为多大?
(3)若要使它的德布罗意波长与波长是400
nm的紫光波长相等,则它必须以多大的速度运动?
探究一
探究二
随堂检测
答案(1)6.63×10-37
m (2)4.42×10-43
m (3)3.32×10-28
m/s
探究一
探究二
随堂检测
量子力学的建立和应用
情境探究
如图甲,质子束被加速到接近光速;如图乙,中子星是质量、密度非常大的星体。请思考:
(1)经典力学是否适用于质子束的运动规律?如何研究质子束的运动规律?
(2)经典力学是否适用于中子星表面的物理规律?如何研究中子星表面的物理规律?
探究一
探究二
随堂检测
要点提示(1)经典力学不适用微观粒子的研究,而量子理论较好地适用于微观世界。
(2)经典力学对中子星表面的物理规律并不适用,而相对论对中子星表面的物理规律适用。
探究一
探究二
随堂检测
知识归纳
1.在以玻恩、海森堡、薛定谔以及英国的狄拉克和奥地利的泡利为代表的众多物理学家的共同努力下,描述微观世界行为的理论被逐步完善并最终完整地建立起来,它被称为量子力学。
2.量子力学的创立是物理学历史上的一次重要革命。它和相对论共同构成了20世纪以来物理学的基础。
3.量子力学推动了核物理和粒子物理的发展。人们认识了原子、原子核、基本粒子等各个微观层次的物质结构。而粒子物理学的发展又促进了天文学和宇宙学的研究。
探究一
探究二
随堂检测
4.量子力学推动了原子、分子物理和光学的发展。人们认识了原子的结构,以及原子、分子和电磁场相互作用的方式。
5.量子力学推动了固体物理的发展。人们了解了固体中电子运行的规律,并弄清了为什么固体有导体、绝缘体和半导体之分。利用半导体的独特性质发明了晶体管等各类固态电子器件,并结合激光光刻技术制造了大规模集成电路,俗称“芯片”。
探究一
探究二
随堂检测
实例引导
例2
(多选)关于经典力学、相对论与量子论的说法正确的是( )
A.当物体的速度接近光速时,经典力学就不适用了
B.相对论和量子力学的出现,使经典力学失去了意义
C.量子力学能够描述微观粒子运动的规律性
D.万有引力定律也适用于强相互作用力
解析经典力学只适用于低速宏观的物体,故A正确;相对论和量子力学的出现,并没有否定经典力学,只是说经典力学有一定的适用范围,故B错误;量子力学描述了微观粒子运动的规律性,故C正确;万有引力定律对于强相互作用力是不适用的,故D错误。
答案AC
规律方法
当另一个重要常数即“普朗克常量”可以忽略不计时,量子力学和经典力学的结论没有区别。
探究一
探究二
随堂检测
变式训练2关于经典力学和量子力学,下列说法中正确的是( )
A.不论是对宏观物体,还是微观粒子,经典力学和量子力学都是适用的
B.量子力学适用于宏观物体的运动;经典力学适用于微观粒子的运动
C.经典力学适用于宏观物体的运动;量子力学适用于微观粒子的运动
D.上述说法都是错误的
解析经典力学适用于低速运动、宏观物体,不适用于高速运动、微观粒子。量子力学不适用于宏观物体,适用于微观粒子,故选项C正确。
答案C
探究一
探究二
随堂检测
1.(多选)20世纪以来,人们发现了一些新的事实,而经典力学却无法解释。经典力学只适用于解决物体的低速运动问题,不能用来处理高速运动问题,只适用于宏观物体,一般不适用于微观粒子。这说明( )
A.随着认识的发展,经典力学已成了过时的理论
B.人们对客观事物的具体认识在广度上是有局限性的
C.不同领域的事物各有其本质与规律
D.人们应当不断扩展认识,在更广阔的领域内掌握不同事物的本质与规律
探究一
探究二
随堂检测
解析人们对客观世界的认识要受到所处的时代的客观条件和科学水平的制约,所以形成的看法也都具有一定的局限性,人们只有不断扩展自己的认识,才能掌握更广阔领域内的不同事物的本质与规律。新的科学的诞生并不意味着对原来科学的全盘否定,只能认为过去的科学是新的科学在一定条件下的特殊情形。A错误,B、C、D正确。
答案BCD
探究一
探究二
随堂检测
2.下列说法正确的是( )
A.物质波属于机械波
B.只有像电子、质子、中子这样的微观粒子才具有波动性
C.德布罗意认为,任何一个运动着的物体,小到电子、质子,大到行星、太阳都具有一种波和它对应,这种波叫作物质波
D.宏观物体运动时,看不到它的衍射或干涉现象,所以宏观物体运动时不具有波动性
解析物质波是一切运动着的物体所具有的波,与机械波性质不同,宏观物体也具有波动性,只是干涉、衍射现象不明显,故只有选项C正确。
答案C
探究一
探究二
随堂检测
3.根据德布罗意波的概念,下列说法正确的是( )
A.质量大的物体,其德布罗意波长小
B.速度大的物体,其德布罗意波长小
C.动量大的物体,其德布罗意波长小
D.动能小的物体,其德布罗意波长小
解析根据
可知,动量大的物体波长小,选项C是正确的。质量大或速度大或动能小,都不能确定其动量大小,所以其他三个选项错误。故正确答案为C。
答案C
探究一
探究二
随堂检测
4.质量为1
000
kg的小汽车以v=40
m/s的速度在高速公路上行驶,试估算小汽车的德布罗意波的波长。
解析小汽车的动量为
p=mv=1
000×40
kg·m/s=4×104
kg·m/s
小汽车的德布罗意波波长为
答案1.7×10-38
m5.粒子的波动性和量子力学的建立
课后篇巩固提升
基础巩固
1.关于德布罗意波,下列说法正确的是( )
A.所有物体不论其是否运动,都有对应的德布罗意波
B.任何一个运动着的物体都有一种波和它对应,这就是德布罗意波
C.运动着的电场、磁场没有相对应的德布罗意波
D.只有运动着的微观粒子才有德布罗意波,对于宏观物体,不论其是否运动,都没有相对应的德布罗意波
解析任何一个运动着的物体,都有一种波与它对应,即物质波,物质有两类:实物和场,所以B正确。
答案B
2.1927年戴维孙和G.P.汤姆孙完成了电子衍射实验,该实验是荣获诺贝尔奖的重大近代物理实验之一。下图所示的是该实验装置的简化图。下列说法不正确的是
( )
A.亮条纹是电子到达概率大的地方
B.该实验说明物质波理论是正确的
C.该实验说明了光子具有波动性
D.该实验说明实物粒子具有波动性
解析该实验说明物质波理论是正确的,实物粒子也具有波动性,亮条纹是电子到达概率大的地方,不能说明光子具有波动性,故选C。
答案C
3.质量为m的粒子原来的速度为v,现将粒子的速度增大为2v,则该粒子的物质波的波长将(粒子的质量保持不变)( )
A.保持不变
B.变为原来波长的两倍
C.变为原来波长的一半
D.变为原来波长的倍
解析由题可知,粒子速度为v时,λ1=;粒子速度为2v时,λ2=,λ2=λ1。可知C正确,A、B、D错误。
答案C
4.现代物理学认为,光和实物粒子都具有波粒二象性。下列事实中突出体现波动性的是( )
A.一定频率的光照射到锌板上,光的强度越大,单位时间内锌板上发射的光电子就越多
B.质量为10-3
kg、速度为10-2
m/s的小球,其德布罗意波长约为10-28
m,不过我们能清晰地观测到小球运动的轨迹
C.人们常利用热中子研究晶体的结构,因为热中子的德布罗意波长与晶体中原子间距大致相同
D.以上说法均不能体现波动性
解析光电效应现象证明光的粒子性。宏观物体小球的波长极小,能清晰观察到轨迹,说明宏观物体的粒子性。利用热中子研究晶体的结构正体现了实物粒子的波动性。
答案C
5.已知氢原子基态能量为-13.6
eV,电子质量m=9.1×10-31
kg,电子的动能和势能的关系为Ek=-Ep,求氢原子中基态电子的德布罗意波的波长。
解析低能时可忽略相对论效应,由于氢原子基态的能量为
E1=Ek+Ep=-13.6
eV,Ek=-Ep
所以Ek=13.6
eV,由于p=
所以德布罗意波的波长为λ==3.33×10-10
m。
答案3.33×10-10
m
能力提升
1.(多选)利用金属晶格(大小约10-10
m)作为障碍物观察电子的衍射图样,方法是让电子通过电场加速后,让电子束照射到金属晶格上,从而得到电子的衍射图样。已知电子质量为m,电荷量为e,初速度为0,加速电压为U,普朗克常量为h,则下列说法中正确的是( )
A.该实验说明了电子具有波动性
B.实验中电子束的德布罗意波长为λ=
C.加速电压U越小,电子的衍射现象越明显
D.若用相同动能的质子替代电子,衍射现象将更加明显
解析得到电子的衍射图样,说明电子具有波动性,A正确;由德布罗意波波长公式λ=,而动量p=,两式联立得λ=,B正确;从公式λ=可知,加速电压越小,电子的波长越大,衍射现象就越明显,C正确;用相同动能的质子替代电子,质子的波长变小,衍射现象相比电子不明显,故D错误。
答案ABC
2.在中子衍射技术中,常利用热中子研究晶体的结构,因为热中子的德布罗意波长与晶体中原子间距相近。已知中子质量m=1.67×10-27
kg,普朗克常量h=6.63×10-34
J·s,可以估算德布罗意波长λ=1.82×10-10
m的热中子动能的数量级为( )
A.10-17
J
B.10-19
J
C.10-21
J
D.10-24
J
解析根据德布罗意波理论中子动量p=,中子动能Ek=,代入数据可以估算出数量级,选项C正确。
答案C
3.任何一个运动着的物体,小到电子、质子、大到行星、太阳,都有一种波与之对应,波长是λ=,式中p是运动物体的动量,h是普朗克常量,人们把这种波叫作德布罗意波。现有一德布罗意波长为λ1的物体1和一德布罗意波长为λ2的物体2,二者相向正碰后粘在一起,已知|p1|<|p2|,则粘在一起的物体的德布罗意波长为 。?
解析由动量守恒定律有p2-p1=(m1+m2)v,由p=
得,所以λ=。
答案
4.如果一个中子和一个质量为10
g的子弹都以103
m/s的速度运动,则它们的德布罗意波的波长分别是多长?(中子的质量为1.67×10-27
kg)
解析中子的动量为p1=m1v,
子弹的动量为p2=m2v,
据λ=知中子和子弹的德布罗意波的波长分别为
λ1=,λ2=
联立以上各式解得λ1=,λ2=
将m1=1.67×10-27
kg,v=1×103
m/s,h=6.63×10-34
J·s,m2=1.0×10-2
kg代入上面两式可解得
λ1=4.0×10-10
m,λ2=6.63×10-35
m。
答案4.0×10-10
m 6.63×10-35
m
